自动取货和自动运输的装置

张肖刚 傅晓锦

【摘 要】为了实现对书本、小型木板等货物的取货及运输的自动化操作，本文设计了一种简单的、效率较高的自动取货和自动运输的装置。使用胶轮的摩擦来实现货物从货架上取下来，同时使用具有可使货物运动方向发生改变的挡板来实现货物沿着设定好的方向运动，达到取货的目的。同时为了方便货物进入货箱中，使用光电传感器和直线伺服电机来实现对货箱位置的调整和货物的计数，电机的运动由单片机控制。货物进入货箱中后通过系统启动滚轮传动带，从而实现自动取货和运输。为了验证货物能够按照设计的挡板的形状进入货箱中，对货物的运动情况进行运动学分析，结果满足设计要求。

【关键字】胶轮；挡板；光电传感器；单片机；运动学分析

中图分类号：TP271 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）33-0027-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.011

【Abstract】In order to realize the automatic operation of taking and transporting books， small wooden boards and other goods， this paper designs a simple and efficient automatic picking and transporting device. Rubber wheel friction is used to remove the goods from the shelves. At the same time， a baffle with a change in the direction of movement of the goods is used to realize the movement of the goods along the set direction， so as to achieve the purpose of picking up the goods. At the same time， in order to facilitate the entry of goods into the container， photoelectric sensors and linear servo motor are used to adjust the position of the container and count the goods. The movement of the motor is controlled by a single chip microcomputer. After the goods enter the container， the roller transmission belt is started through the system， thus realizing automatic pick-up and transportation. In order to verify that the goods can enter the container according to the shape of the designed baffle， the kinematics analysis of the movement of the goods is carried out， and the results meet the design requirements.

【Key words】Rubber wheel； Baffle； Photoelectric sensor； Microcontrollers； Kinematics analysis

0 引言

在當前的企业或仓库中对与小型板件的取货与搬运一般采用人工计数和搬运，但是对于大量货物的取件和搬运效率较低，且工人工作强度大[1]。相关企业迫切需要将取货及运输转变成自动运行，以减少工人的劳动强度。

自动取货的方案是设计的关键，由于货架上的货物是并排竖向摆放，在取货过程中需要按照其摆放状态进行取货，因此取货的方案必须实现一个货物的选取不会影响相邻的货物的摆放状态[2]。取货的数量必须是提前根据要求进行的，方案中要能够实现货物的计数。由于被取货物需要运动到货箱中，因此需要对货物运动的方向进行约束。整个取货的过程是自动实现的，因此必须采用自动控制的系统进行各运动部件的自动控制[3]。

1 系统方案的设计

本自动取货和自动运输装置，由三个部分组成：取货系统、运输系统、检测及自动控制系统[4]。其主要功能分别是：

（1）取货系统实现货物从货架上平稳的运动到货箱中，一次只可实现一件货物的选取。

（2）运输系统实现对已经从货架上取下的货物进行运输，其需要等到货物完全取下才能工作。

（3）检测及自动控制系统实现取货过程中的货物的计数、电机工作的控制和货物运动的位置，保证直线伺服电机对箱子位置的调整能够与货物的向下运动相配合，实现货物的连续选取；同时能够控制运输机构的运动，保证取货完成之后，运输机构能够及时工作。

1.1 取货系统设计

如图1所示，取货系统主要包括：胶轮、驱动电机、弹簧、挡板、传动带、胶轮安装板、货物运动控制挡板、直线伺服电机、货箱等部件。货物被竖向摆放在货架上，其一侧由一个装有弹簧装置的挡板，另一侧的货物被装有胶轮的挡板上的胶轮挡住。在货物运输时，首先货架上的电机开始工作，其带动传动带运动，进而驱动两胶轮实现同向转动。转动胶轮通过摩擦驱动货物向下运动。为了约束货物向下运动的方向，使之能够按照设定好的方向和位置运动，在货架开口下端的附近加装一个约束挡板，其形状通过运动学分析后最终确定。约束挡板深入货箱中，保证货物进入货箱中能够抵住其，防止货物倒落在货箱中。为了防止货箱在后面的运输过程中不会受到约束挡板的碰撞，将约束挡板设计成可以绕货箱运动方向垂直方向旋转的结构，板1可绕轴2旋转，支架3固定在货架下部。第一件货物进入货箱后，货物两边分别由货箱和约束挡板抵住，货物可以竖直放置在货箱中。当前一件货物进入货箱之后，货架上的货物由于受弹簧挡板的推动，剩余的货物会向胶轮挡板运动，并由一个新的货物与胶轮接触，此时胶轮对该货物进行新一轮的驱动。当第二件货物沿着约束挡板进入到货箱之前，由于约束挡板上方与上一货物存在空隙（略大于货物厚度）此货物将沿着约束挡板和上一货物的空隙插入货箱，为了使上约束挡板下部与上一货物之间能够产生足够的空隙，此时直线伺服电机开始工作，推动货箱开始运动，配合货物插入约束挡板与上一货物之间的空隙中。为了方便货物插入，约束挡板上部与下部连接部分采用大半径圆弧边缘。光滑的约束挡板表面引导货物沿着设定好的轨迹进入约束挡板与上一货物之间的缝隙，直到货物完全进入货箱中，同理后面各货物取货方式与此相同。

1.2 配套运输系统设计

运输系统采用滚轮传送带进行运输，由半片机进行控制，能够实现平稳的输送。

1.3 检测及自动控制系统

为了实现取货和输送的自动和相互有序的配合，在货架顶部装有光电传感器进行货物位置的确定，根据货物距传感器的距离确定货物的位置，进而将其位置信号传输到单片机进行对直线伺服电机的控制。

根据输入的要求选取的货物数量时，预先在单片机中设置好数值。在货架下部的一端设置一个光点传感器进行货物的计数，当货物数量未达到设定的数值时，货物一直被选取，当货物数量达到预定数值时，单片机控制电机停止工作，选取停止。然后单片机再控制启动滚轮传动带运输货箱，从而实现取货和运输的全自动运行。

2 货物的运动学仿真

货物能否进入货箱中是由约束挡板决定的，其设计的成功与否能直接决定取货能否成功。由于货物约束挡板的边界形状是圆弧形。故此我们要模拟计算所设计的约束挡板能否成功约束货物的运动方向。因此采用Solidworks Motion模块进行运动学分析进行验证[5]。

2.1 添加实体接触

单击接触，选择实体接触。实体接触主要用来当两部件接触碰撞时，为防止发生实体贯穿的现象，使之符合实际情况两零件的运动状态[6]。此处也是为了防止货物与约束挡板发生实体贯穿而使用，如下图2中的（a）所示。

2.2 载荷的添加

由于相邻货物会给所要运输的货物一个正压力，因此单击力/扭矩按键，实现对侧向平面的载荷施加，如下图2中的（b）所示。

由于侧向货物对该运输货物的正压力，会在该平面上产生一个摩擦力，采用相同的方式施加该摩擦力，如下图2中的（c）所示。

2.3 添加马达

单击“马达”按钮，对其进行参数设置及选择。选择马达类型为线性马达。电机的驱动力通过传动带和胶轮最终传导到货物的侧面，等同于给其侧面一个线性马达。因此将胶轮接触的货物侧面作为马达安装面。马达的运行方向和货物实际运动方向相同[7]。设定直线运动速度是10mm/s。如下图2中的（d）所示。

2.4 运动仿真结果

取货系统的运动仿真的研究目标是货物的运动，将货物的运动轨迹计算出来便可以说明货能够成功实现选取。点击“运动算例属性”按钮，在弹出来的“结果和图解”管理器中，选择位移、速度和加速度一欄，在其子类别中选取路径跟踪，选择货物下端一个端点，便可计算出货物的轨迹。如下图3中的（a）为货物的运行轨迹。在子类型中选择x方向位移，可以求得货物在运动过程中在其横向方向上的线性位移图解，如图3所示的（b）。

3 总结

本设计通过单片机控制的电机驱动胶轮，通过胶轮的摩擦驱动货物运动，同时由于相邻货物收到其他货物的压力和货架的支持力，在一次取货过程中，只有一件货物能够被取出。在货架上部加装一个光电传感器，将货物位置信号输入到单片机中，使用单片机控制直线伺服电机实现货箱与货物下降的配合。在货架下部安装一个光电传感器用于对货物的计数，以单片机进行控制驱动电机的工作，实现根据外界输入的货物数量进行取货。当取货过程完成以后，单片机控制启动滚轮输送带进行货物的运输，实现了整个工作的自动化。为了验证取货系统能够按照设计进行，采用Solidworks Motion模块进行了货物的运动学分析，取得了预期的效果。本文设计的自动取货和运输装置结构较为简单，能够高效完成板型件货物的自动取货和运输。

【参考文献】

[1]郭伟祥，钟炯聪.自动化立体仓储技术在电网企业中的应用与实践[J]. 物流技术，2018，3（37）.

[2]殷盼盼.基于现代物流的自动化立体仓库设计探究_殷盼盼[J].科技经济导刊，2018，26（13）.

[3]卢光云，梁伟鄯.自动化立体仓库控制系统的设计与研究[J]. 现代制造技术与装备，2018，5（7）.

[4]金波，林龙贤.果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制[J]. 机械工程学报，2014，19（50）.

[5]杨青.基于SolidWorks 的单缸内燃机运动仿真及分析[J]. 装备制造技术，2017，12（11）.

[6]许力，谷叶水.基于 Solidworks 的组合机构运动仿真与分析[J].橡胶技术与装备，2015，22（10）.

[7]刘志刚，赵晓燕.基于SolidWorks 的高枝花椒采摘器结构设计与运动仿真[J].信息技术，2017，02（03）.